JP5627919B2 - Optical imaging system for gas turbine - Google Patents

Optical imaging system for gas turbine Download PDF

Info

Publication number
JP5627919B2
JP5627919B2 JP2010098360A JP2010098360A JP5627919B2 JP 5627919 B2 JP5627919 B2 JP 5627919B2 JP 2010098360 A JP2010098360 A JP 2010098360A JP 2010098360 A JP2010098360 A JP 2010098360A JP 5627919 B2 JP5627919 B2 JP 5627919B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
laser
optical
exhaust
collimator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2010098360A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010255635A (en
Inventor
マーク・アレン・ウッドマンシー
サミット・クマール・バスー
ヴィジャイ・クマール・ヤラム
ウェイグオ・チェン
イーカン・グー
ケヴィン・マイケル・ヒンクリー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JP2010255635A publication Critical patent/JP2010255635A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5627919B2 publication Critical patent/JP5627919B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • F01D17/085—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure to temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/003—Systems for controlling combustion using detectors sensitive to combustion gas properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0088—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry in turbines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/58—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using absorption; using extinction effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/20—Gas turbines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Description

本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンの効率を監視するためのシステム及び方法に関する。   The present invention relates generally to gas turbine engines, and more particularly to systems and methods for monitoring turbine engine efficiency.

最新のガスタービンは、効率的な運転を確保するために監視を行うことができる。ガスタービンを監視する１つの手法は、熱電対（ＴＣ、通常は金属製の測定器）の一式をガスタービンの排出アニュラスの回りに配置して、エンジンから出る気相生成物の温度を監視することを含むことができる。典型的には、これらのＴＣによる絶対及び相対温度測定値は、デジタル制御システム（ＤＣＳ）に供給され、ガスタービンの吸気及び燃料流量を調節して、エンジンの性能全体を向上させるようにすることができる。   Modern gas turbines can be monitored to ensure efficient operation. One approach to monitoring a gas turbine is to place a set of thermocouples (TC, usually a metal meter) around the exhaust annulus of the gas turbine to monitor the temperature of the gas phase product exiting the engine. Can be included. Typically, these TC absolute and relative temperature measurements are fed into a digital control system (DCS) to adjust the gas turbine intake and fuel flow rates to improve overall engine performance. Can do.

ＴＣは、これらのサイズ及び離散的配置に起因して、排出口内の平均温度を正確に推定する能力には限界がある。この欠点を克服する取り組みには、より多くのＴＣを排出アニュラス内に追加することが含まれていた。しかしながら、排出アニュラスに追加されるＴＣが増えるにつれて、金属計装レーキ前後の圧力低下が大きくばる。これは、エンジンに対する背圧の増大につながる可能性があり、性能を悪化させる恐れがある。   Due to their size and discrete arrangement, TC has a limited ability to accurately estimate the average temperature in the outlet. Efforts to overcome this drawback included adding more TC into the discharge annulus. However, as the TC added to the discharge annulus increases, the pressure drop before and after the metal instrumentation rake increases. This can lead to increased back pressure on the engine and can degrade performance.

米国特許第６，５９３，５７３号公報US Pat. No. 6,593,573

従って、監視機器によってエンジンに誘起される背圧を最小限に抑えながら、ガスタービンエンジンの効率及び性能を正確に監視して調整することができる技術並びにシステムに対する必要性がある。   Accordingly, there is a need for a technique and system that can accurately monitor and adjust the efficiency and performance of a gas turbine engine while minimizing the back pressure induced on the engine by monitoring equipment.

第１の実施形態において、ガスタービン燃料ノズルは、エンジンを効率的に監視するシステムを含み、該システムは、特定周波数で光を伝送するよう適合されたレーザと、吸収光として光を伝送するよう適合された第１の側部及び吸収光を受け取るように適合された第２の側部を含むイメージング器具と、吸収光を表す画像を生成するよう適合されたイメージングシステムとを有する。   In a first embodiment, a gas turbine fuel nozzle includes a system for efficiently monitoring an engine, the system adapted to transmit light as absorbed light with a laser adapted to transmit light at a specific frequency. An imaging instrument including a first side adapted and a second side adapted to receive absorbed light, and an imaging system adapted to generate an image representative of the absorbed light.

第２の実施形態において、タービンシステムは、燃料源を点火して加圧排出ガスを生成するよう適合された燃焼器と、加圧排出ガスを通気するよう適合された排出口と、を備え、排出口が、第１の側部から第２の側部に光を伝送するよう適合されたイメージング器具と、排出口の領域の温度を表す画像を生成するよう適合されたイメージングシステムと、を含む。   In a second embodiment, a turbine system comprises a combustor adapted to ignite a fuel source to produce pressurized exhaust gas, and an exhaust adapted to ventilate the pressurized exhaust gas, An outlet includes an imaging device adapted to transmit light from a first side to a second side, and an imaging system adapted to generate an image representative of the temperature of the region of the outlet .

第３の実施形態において、方法は、タービンの排出口のイメージング器具全体にわたって送信位置から光を伝送する段階と、イメージング器具における受信位置にて伝送された光を受信する段階と、コンバータにおいて光の吸収を測定する段階と、吸収光を表す画像を生成する段階と、を含む。   In a third embodiment, the method includes transmitting light from a transmission location across an imaging instrument at a turbine outlet, receiving light transmitted at a receiving position in the imaging instrument, and transmitting light at a converter. Measuring absorption and generating an image representing absorbed light.

本明細書で説明される実施形態のうちの１つによるガスタービンエンジンのブロック図。1 is a block diagram of a gas turbine engine according to one of the embodiments described herein. FIG. 波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムのブロック図。1 is a block diagram of a wavelength tunable diode laser absorption spectroscopy system. 図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。2 is a schematic diagram of an imaging instrument for use with the tunable diode laser absorption spectroscopy system of FIG. 図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。2 is a schematic diagram of an imaging instrument for use with the tunable diode laser absorption spectroscopy system of FIG. 図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。2 is a schematic diagram of an imaging instrument for use with the tunable diode laser absorption spectroscopy system of FIG. 図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。2 is a schematic diagram of an imaging instrument for use with the tunable diode laser absorption spectroscopy system of FIG. 図３Ａ〜３Ｄのイメージング器具全体にわたるレーザ送信及び受信の概略図。FIG. 3 is a schematic diagram of laser transmission and reception throughout the imaging instrument of FIGS. 図１のシステムと共に用いるコリメータの概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of a collimator for use with the system of FIG. 図３Ａ〜３Ｄのイメージング器具全体にわたる測定タイルの概略図。3A is a schematic view of a measurement tile across the imaging instrument of FIGS.

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読む時、より良好に理解されるようになるであろう。   These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings in which like reference characters represent like parts throughout the drawings, wherein: It will be.

本開示は、波長可変ダイオードレーザ技術を使用した、ガスタービンエンジンの排気口の温度測定を記載している。レーザ並びに対応するレーザ検出器は、排気口のセクタにわたってビームの２次元メッシュが形成されるように、タービン排出口のアニュラス内に配列される。レーザから検出器への伝送時に吸収される光の量に基づいて、排出口の温度を決定することができる。更に、画像再構成技術を応用して、ガスタービンエンジンの排出面における温度の２次元分布を再現することができ、排気温度の画像をリアルタイムで再現することができるようにする。レーザは、多くの異なる波長で光を伝送するよう波長調節することができ、排出口内の水蒸気、酸素、及び二酸化炭素の測定を可能にし、排気温度のよりロバストな計算を可能にすることができる。排出口の温度を測定することによって、ガスタービンの圧縮機、燃焼器、又はタービン構成部品の標準以下の性能など、タービンの機能不全を診断することができる。更に、ガスタービンエンジンの調節及び制御のために、測定結果をデジタル制御システムに伝送することができる。   The present disclosure describes gas turbine engine exhaust temperature measurements using tunable diode laser technology. The laser as well as the corresponding laser detector are arranged in the annulus of the turbine outlet so that a two-dimensional mesh of the beam is formed across the sector of the outlet. Based on the amount of light absorbed during transmission from the laser to the detector, the temperature of the outlet can be determined. Furthermore, by applying an image reconstruction technique, it is possible to reproduce a two-dimensional temperature distribution on the exhaust surface of the gas turbine engine, and to reproduce an image of the exhaust temperature in real time. The laser can be tuned to transmit light at many different wavelengths, allowing measurement of water vapor, oxygen, and carbon dioxide in the exhaust, and enabling a more robust calculation of the exhaust temperature. . By measuring the outlet temperature, turbine malfunctions can be diagnosed, such as substandard performance of a gas turbine compressor, combustor, or turbine component. Furthermore, measurement results can be transmitted to a digital control system for gas turbine engine regulation and control.

ここで図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０のブロック図が示されている。図示のように、ガスタービンエンジン１０は燃焼器１２を含む。燃焼器１２は、缶アニュラ型燃焼室とすることができ、すなわち、燃焼器１２は、アニュラ型及び缶型燃焼器の両方の特性を有することができ、該燃焼器１２が外側シェルからなり、幾つかの個々の円筒型燃焼缶を備える。燃焼器１２は燃料を受け取り、該燃料を燃料ノズルから加圧下で噴射することができる。燃料は、空気と混合されて燃焼室１２内で燃焼することができる。この燃焼により高温の加圧排出ガスが生成される。   Turning now to the drawings and referring first to FIG. 1, a block diagram of a gas turbine engine 10 is shown. As shown, the gas turbine engine 10 includes a combustor 12. The combustor 12 can be a can-annular combustion chamber, that is, the combustor 12 can have the characteristics of both an annular and can-type combustor, the combustor 12 comprising an outer shell, Several individual cylindrical combustion cans are provided. The combustor 12 can receive fuel and inject the fuel from a fuel nozzle under pressure. The fuel can be mixed with air and burned in the combustion chamber 12. This combustion produces hot pressurized exhaust gas.

燃焼器１２は、排出ガスをタービン１４に通して排気出口１６に向かって配向する。例示的な実施形態において、排気出口１６は、駆動シャフト１８を囲む末広環状通路を含む。更に、燃焼器１２からの排出ガスがタービン１４を介して排気出口に通過すると、該ガスにより、タービンブレードが、駆動シャフト１８をガスタービンエンジン１０の軸線に沿って回転させるようにする。図示のように、駆動シャフト１８は、圧縮機２０を含む、ガスタービンエンジンの種々の構成部品に接続される。   The combustor 12 directs exhaust gas through the turbine 14 toward the exhaust outlet 16. In the exemplary embodiment, exhaust outlet 16 includes a divergent annular passage that encloses drive shaft 18. Further, when exhaust gas from the combustor 12 passes through the turbine 14 to the exhaust outlet, the gas causes the turbine blades to rotate the drive shaft 18 along the axis of the gas turbine engine 10. As shown, the drive shaft 18 is connected to various components of the gas turbine engine, including the compressor 20.

駆動シャフト１８は、タービン１４を圧縮機２０に接続してロータを形成する。圧縮機２０は、駆動シャフト１８に結合されたブレードを含む。従って、タービン１４のタービンブレードの回転により、タービン１４を圧縮機２０に接続する駆動シャフト１８が圧縮機２０内でブレードを回転させるようにする。更にこれによって、圧縮機２０は、吸入口２２を介して受け取った空気を加圧するようになる。加圧された空気は燃焼器１２に送給されて燃料と混合され、より高効率の燃焼を可能にする。駆動シャフト１８はまた、車両、又は発電プラントにおける発電機などの固定負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる負荷２４に接続される。実際には、負荷２４は、ガスタービンエンジン１０の回転出力により駆動されるあらゆる好適な装置とすることができる。以下で説明する技術は、エンジン１０の性能を損なうことなく、ガスタービンエンジン１０の効率の監視を可能にする。   The drive shaft 18 connects the turbine 14 to the compressor 20 to form a rotor. The compressor 20 includes a blade coupled to the drive shaft 18. Accordingly, rotation of the turbine blades of the turbine 14 causes the drive shaft 18 connecting the turbine 14 to the compressor 20 to rotate the blades within the compressor 20. This further causes the compressor 20 to pressurize the air received through the inlet 22. Pressurized air is delivered to the combustor 12 and mixed with fuel, allowing for more efficient combustion. The drive shaft 18 is also connected to a load 24, which can be a fixed load, such as a generator in a vehicle or power plant, or an aircraft propeller. In practice, the load 24 can be any suitable device driven by the rotational output of the gas turbine engine 10. The techniques described below allow for monitoring the efficiency of the gas turbine engine 10 without compromising the performance of the engine 10.

図２は、ガスタービンエンジン１０の排出口１６（すなわち排気出口）と共に波長可変のダイオードレーザ吸収分光法を利用して、ガスタービンエンジン１０の排気温度を測定することができる排気測定システム２６を示す。排気測定システム２６は、レーザコントローラ２８、第１のレーザ３０、第２のレーザ３２、マルチプレクサ３４、拡張スイッチ３６、イメージ器具３８、集約スイッチ４０、検出器４２、コンバータ４４、及びワークステーション４６を含むことができる。レーザコントローラ２８は、レーザ３０及び３２に対して制御された電流及び温度を提供し、レーザ３０及び３２により一定の出力を生成可能にすることができるようになる。１つの実施形態において、レーザコントローラは、コンバータ４４からのフィードバック信号によるなど、外部入力によって制御することができるレーザダイオードコントローラとすることができる。   FIG. 2 shows an exhaust measurement system 26 capable of measuring the exhaust temperature of the gas turbine engine 10 utilizing wavelength tunable diode laser absorption spectroscopy along with the exhaust 16 (ie, exhaust outlet) of the gas turbine engine 10. . The exhaust measurement system 26 includes a laser controller 28, a first laser 30, a second laser 32, a multiplexer 34, an expansion switch 36, an image instrument 38, an aggregation switch 40, a detector 42, a converter 44, and a workstation 46. be able to. The laser controller 28 provides a controlled current and temperature for the lasers 30 and 32 so that the lasers 30 and 32 can produce a constant output. In one embodiment, the laser controller can be a laser diode controller that can be controlled by an external input, such as by a feedback signal from the converter 44.

１つの実施形態において、レーザ３０及び３２は赤外線レーザとすることができる。すなわち、レーザ３０及び３２から伝送される光は、赤外周波数になることができる。１つの実施形態において、第１のレーザ３０及び第２のレーザ３２は、第１の周波数及び第２の周波数で２つの独立した光ビームを提供することができる。これらの周波数は、第１及び第２の周波数を利用して２つの別個の分子（すなわち分光）遷移にわたってスキャンすることができるように選ぶことができる。すなわち、周波数は、レーザ３０及び３２の各々がプローブ分子の異なる遷移にアクセスできるように先験的に選ぶことができる。１つの実施形態において、第１のレーザ３０は、Ｈ２Ｏ分子の６８６２ｃｍ−１遷移にわたりスキャンすることができ、第２のレーザ３２は、Ｈ２Ｏ分子の６６７３ｃｍ−１遷移にわたりスキャンすることができる。別の実施形態においては、第１のレーザ３０が排気測定システム２６において光を生成するのに利用される唯一のレーザとすることができる。この実施形態では、第１のレーザ３０を波長調節し、２つ又はそれ以上の波長で光を伝送することができる。 In one embodiment, lasers 30 and 32 may be infrared lasers. That is, the light transmitted from the lasers 30 and 32 can be at an infrared frequency. In one embodiment, the first laser 30 and the second laser 32 can provide two independent light beams at a first frequency and a second frequency. These frequencies can be chosen such that the first and second frequencies can be utilized to scan across two separate molecular (ie, spectroscopic) transitions. That is, the frequency can be selected a priori so that each of the lasers 30 and 32 can access a different transition of the probe molecule. In one embodiment, the first laser 30 may scan over 6862Cm -1 transitions H 2 O molecules, the second laser 32 may be scanned over 6673Cm -1 transitions H 2 O molecules it can. In another embodiment, the first laser 30 may be the only laser utilized to generate light in the exhaust measurement system 26. In this embodiment, the wavelength of the first laser 30 can be adjusted to transmit light at two or more wavelengths.

排気測定システム２６は更に、マルチプレクサ３４を含むことができる。マルチプレクサ３４は、光ファイバーケーブルを介して第１及び第２のレーザ３０及び３２に光ファイバーにより結合することができる。マルチプレクサ３４は、例えば、２つの入力のうちの１つだけを単一の出力ラインに通すことができる２×１パッシブマルチプレクサとすることができる。マルチプレクサ３４はまた、Ｎ個のレーザを利用する何れかの実施形態においてはＮ×１マルチプレクサとすることができる。マルチプレクサ３４の単一の出力は、圧縮スイッチ３６に接続する光ファイバーケーブルとすることができる。   The exhaust measurement system 26 can further include a multiplexer 34. The multiplexer 34 can be coupled by optical fibers to the first and second lasers 30 and 32 via optical fiber cables. Multiplexer 34 can be, for example, a 2 × 1 passive multiplexer that can pass only one of the two inputs through a single output line. Multiplexer 34 may also be an N × 1 multiplexer in any embodiment that utilizes N lasers. The single output of multiplexer 34 may be a fiber optic cable that connects to compression switch 36.

拡張スイッチ３６は、１×Ｎ光学スイッチとすることができ、これによってマルチプレクサ３４から受け取った光をＮ個の別個のシングルモード光ファイバーケーブルに逐次的に加えることができ、ここでＮは１よりも大きい任意の整数である。１つの実施形態において、Ｎは２４とすることができる。拡張スイッチ３６は、例えばコンバータ４４からの制御コマンドを介して制御することができる。これらの制御信号は、マルチプレクサ３４から受け取った光をＮ個の光ファイバーケーブルに加える順序を制御する。拡張スイッチから出るＮ個の光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８に結合することができる。   The expansion switch 36 can be a 1 × N optical switch, which can sequentially add the light received from the multiplexer 34 to N separate single-mode fiber optic cables, where N is greater than 1. Any large integer. In one embodiment, N can be 24. The expansion switch 36 can be controlled via a control command from the converter 44, for example. These control signals control the order in which the light received from multiplexer 34 is applied to the N optical fiber cables. N fiber optic cables exiting the expansion switch can be coupled to the imaging instrument 38.

イメージング器具に結合されたＮ個の光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８に伝送される光の経路を与え、Ｎ個の光ファイバーケーブルの各々がイメージング器具３８の内側縁部において光コリメータで終端し、器具３８全体に伝送することができる円柱ビームを形成できるようにする。この伝送組立体はピッチと呼ぶことができる。器具３８全体に伝播した後、光ビームは、イメージングフレーム３８の第２の内面上の専用受信コリメータにより取り込むことができる。受信コリメータは、受け取った光ビームをそれぞれの光ファイバーケーブルに集束させ、該光ファイバーケーブルは、例えば４００μｍのコア径を有するマルチモードファイバーとすることができる。イメージング器具３８の受信組立体は、キャッチと呼ぶことができる。１つの実施形態において、送信コリメータの数とイメージング器具３８内の受信コリメータの数は同数である。   N fiber optic cables coupled to the imaging instrument provide a path for light to be transmitted to the imaging instrument 38, each of the N fiber optic cables terminating at an optical collimator at the inner edge of the imaging instrument 38. A cylindrical beam that can be transmitted as a whole can be formed. This transmission assembly can be referred to as a pitch. After propagating throughout the instrument 38, the light beam can be captured by a dedicated receive collimator on the second inner surface of the imaging frame 38. The receiving collimator focuses the received light beam onto a respective optical fiber cable, which can be a multimode fiber having a core diameter of, for example, 400 μm. The receiving assembly of the imaging instrument 38 can be referred to as a catch. In one embodiment, the number of transmit collimators and the number of receive collimators in imaging instrument 38 are the same.

加えて、イメージング器具３８は中空とすることができ、イメージング器具３８が、イメージング器具３８内部に配置されることになる光ファイバーケーブルの大きさにされた電線路を含むことができるようにする。単一電線路は、ピッチ及びキャッチ組立体の光ファイバーケーブルに利用することができる。或いは、ピッチ及びキャッチ組立体の各々に別個の電線路を利用してもよい。   In addition, the imaging instrument 38 can be hollow, allowing the imaging instrument 38 to include a fiber optic cable sized electrical conduit that will be disposed within the imaging instrument 38. A single conduit can be utilized for the fiber optic cable of the pitch and catch assembly. Alternatively, separate electrical lines may be utilized for each of the pitch and catch assemblies.

キャッチの光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８の電線路から出て集約スイッチ４０に結合される。このようにして、キャッチの光ファイバーケーブルは、ピッチから受け取った光ビームを集約スイッチ４０に伝送する。集約スイッチ４０は、Ｎ×１光学スイッチとすることができ、ここでＮは１よりも大きい任意の整数である。集約スイッチ４０は、上述の拡張スイッチ３６とは逆の手法で動作することができる。すなわち、集約スイッチ４０は、Ｎ個の光ファイバーケーブルから受け取った光を逐次的に加え、例えばコンバータ４４からの制御コマンドに基づいて単一光ファイバーに伝送することができる。これらの制御信号は、イメージング器具３８から受け取った光を集約スイッチ４０の光ファイバーケーブル出力に加える順序を制御する。集約スイッチ４０から出るＮ個の光ファイバーケーブルは、検出器４２に結合することができる。   The catch fiber optic cable exits the electrical conduit of the imaging device 38 and is coupled to the aggregation switch 40. In this way, the optical fiber cable of the catch transmits the light beam received from the pitch to the aggregation switch 40. Aggregation switch 40 may be an N × 1 optical switch, where N is any integer greater than one. The aggregation switch 40 can operate in a manner opposite to that of the expansion switch 36 described above. That is, the aggregation switch 40 can sequentially add light received from N optical fiber cables and transmit the light to a single optical fiber based on a control command from the converter 44, for example. These control signals control the order in which light received from the imaging instrument 38 is added to the fiber optic cable output of the aggregation switch 40. N optical fiber cables exiting the aggregation switch 40 can be coupled to the detector 42.

検出器４２は、集約スイッチ４０から伝送された光信号をアナログ電気信号に変換する。１つの実施形態において、検出器４２は、光信号を検出して電気信号に変換するように設計された、増幅可変ゲインインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）検出器とすることができる。これらの電気信号は、コンバータ４４に伝送される。   The detector 42 converts the optical signal transmitted from the aggregation switch 40 into an analog electrical signal. In one embodiment, the detector 42 may be an amplified variable gain indium gallium arsenide (InGaAs) detector designed to detect and convert an optical signal into an electrical signal. These electrical signals are transmitted to the converter 44.

コンバータ４４は、検出器４２からの電気信号を受け取り、コンバータ４４内のアナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）を介してアナログ信号をデジタル信号に変換する。コンバータ４４は、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、コンプレックス・プログラマブル・ロジックデバイス、特定用途向け集積回路、及び／又は他の既知の論理回路とすることができる１つ又はそれ以上のプロセッサを含むことができる。プロセッサを利用して、Ａ／Ｄコンバータからのデジタル信号を処理することができる。これらのデジタル信号に基づいて、プロセッサは、出力信号をレーザコントローラ２８に提供する。この出力信号は、例えばのこぎり波とすることができ、該波形は、レーザの変調、周波数、及びタイミングを制御するのにレーザコントローラ２８が利用することができる。コンバータ４４のプロセッサはまた、拡張スイッチ３６及び集約スイッチ４０の両方にコマンドを提供することができる。従って、コンバータ４４のプロセッサは、レーザの発射をスイッチの作動と同期させる。例えば、プロセッサによりスイッチ３６及び４０がＮ個の光ファイバーケーブルを逐次的にスクロールして、レーザコントローラ２８により制御される周波数で光を伝送すると、結果として得られる光信号はプロセッサにより変換することができ、その結果として得られる温度データを生成するようになる。この結果として得られる温度データは、例えば、画像再構成により利用され、例えば、ワークステーション４６のモニタ上に２次元温度分布を生成することができる。或いは、画像再構成は、コンバータ４４において行ってもよい。   The converter 44 receives the electrical signal from the detector 42 and converts the analog signal into a digital signal via an analog-to-digital converter (A / D) in the converter 44. The converter 44 may be a digital signal processor, a microprocessor, a field programmable gate array, a complex programmable logic device, an application specific integrated circuit, and / or one other known logic circuit. The above processors can be included. A processor can be used to process the digital signal from the A / D converter. Based on these digital signals, the processor provides an output signal to the laser controller 28. This output signal can be, for example, a sawtooth wave, which can be utilized by the laser controller 28 to control laser modulation, frequency, and timing. The processor of the converter 44 can also provide commands to both the expansion switch 36 and the aggregation switch 40. Thus, the processor of converter 44 synchronizes the firing of the laser with the actuation of the switch. For example, if the processor causes switches 36 and 40 to sequentially scroll N optical fiber cables and transmit light at a frequency controlled by the laser controller 28, the resulting optical signal can be converted by the processor. As a result, temperature data obtained as a result is generated. The resulting temperature data is used, for example, by image reconstruction and can generate, for example, a two-dimensional temperature distribution on the monitor of the workstation 46. Alternatively, the image reconstruction may be performed in the converter 44.

上述のように、処理されたデジタル信号は、コンバータ４４からワークステーション４６に伝送することができる。ワークステーション４６は、ハードウェア要素（回路を含む）、ソフトウェア要素（コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータコードを含む）、又はハードウェア及びソフトウェア要素両方の組み合わせを含むことができる。ワークステーション４６は、例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ノートブックもしくはタブレットコンピュータなどのポータブルコンピュータ、サーバ、或いはコンピュータデバイスの他の何れかのタイプとすることができる。従って、ワークステーションは、例えば、１つ又はそれ以上の「汎用」マイクロプロセッサ、１つ又はそれ以上の特定用途マイクロプロセッサ及び／又はＡＳＩＳ、或いはこのような処理構成要素の何れかの組み合わせなど、１つ又はそれ以上のプロセッサを含むことができる。ワークステーションはまた、メモリを含むことができ、該メモリは、ワークステーションの動作のためのファームウェアのような、１つ又はそれ以上のプロセッサ２２により処理されることになる命令又はデータ（すなわち、基本入出力命令又はオペレーティングシステム命令）、及び／又はワークステーション４６上で実行可能な種々のプログラム、アプリケーション、又はルーチンを格納することができる。ワークステーション４６は更に、ワークステーション４６の種々のプログラムの動作に関連する１つ又はそれ以上の画像を表示するためのディスプレイと、ユーザがワークステーション４６をインタフェース及び／又は制御可能にすることができる入力構成とを含むことができる。以下で説明するように、ワークステーション４６は、ガスタービンエンジン１０の排出面における排気温度の２次元分布を再現する画像再構成技術を実施するためのハードウェア及び／又はワークステーションのメモリ内に格納可能であり且つプロセッサにより実行可能なコンピュータコードを含むことができる。   As described above, the processed digital signal can be transmitted from the converter 44 to the workstation 46. The workstation 46 can include hardware elements (including circuitry), software elements (including computer code stored on computer readable media), or a combination of both hardware and software elements. The workstation 46 can be, for example, a desktop computer, a laptop, a portable computer such as a notebook or tablet computer, a server, or any other type of computing device. Thus, a workstation can be, for example, one or more “generic” microprocessors, one or more application specific microprocessors and / or ASIS, or any combination of such processing components, such as 1 One or more processors may be included. The workstation can also include memory, which is instructions or data (ie, basic) to be processed by one or more processors 22, such as firmware for the operation of the workstation. Input / output instructions or operating system instructions) and / or various programs, applications, or routines that can be executed on the workstation 46 can be stored. The workstation 46 may further allow a user to interface and / or control the workstation 46 with a display for displaying one or more images related to the operation of various programs on the workstation 46. Input configuration. As described below, the workstation 46 is stored in hardware and / or workstation memory for implementing an image reconstruction technique that reproduces a two-dimensional distribution of exhaust temperature at the exhaust surface of the gas turbine engine 10. It may include computer code that is possible and executable by the processor.

図３Ａは、図２に関して上記で説明したような、ガスタービンエンジン１０と共に利用することができるイメージング器具３８の正面図を示す。１つの実施形態において、イメージング器具３８は、内径４８及び外径５０を含むフレームとすることができる。器具３８の内径４８は、例えば、駆動シャフト１８を覆うシュラウドに装着することができる。同様に、器具３８の外径５０は、例えば、排気出口１６のライナに装着することができる。従って、イメージング器具３８は、タービンからの排気流をイメージング器具３８に流すことができるようにして、排出口１６の出口の末広通路内に挿入することができる。１つの実施形態において、イメージング器具３８は、排気出口１６内のアニュラスの単一のセクタのみを囲むような大きさにすることができるので、ガスタービン１０の排気出口１６の１つのセクションの温度は、上述のイメージング器具３８を用いて調べることができる。従って、排気出口１６のアニュラス全体を監視するために、複数の器具３８を併用することができる。図３Ｂは、イメージング器具３８の傾いた斜視図を示し、図３Ｃ及び３Ｄは、それぞれ、イメージング器具３８の上面図及び側面図を示している。   FIG. 3A shows a front view of an imaging instrument 38 that may be utilized with the gas turbine engine 10 as described above with respect to FIG. In one embodiment, the imaging instrument 38 may be a frame that includes an inner diameter 48 and an outer diameter 50. The inner diameter 48 of the instrument 38 can be attached to, for example, a shroud that covers the drive shaft 18. Similarly, the outer diameter 50 of the instrument 38 can be mounted, for example, on the liner of the exhaust outlet 16. Accordingly, the imaging instrument 38 can be inserted into the divergent passage at the outlet of the outlet 16 so that the exhaust stream from the turbine can flow to the imaging instrument 38. In one embodiment, the imaging instrument 38 can be sized to surround only a single sector of the annulus within the exhaust outlet 16 so that the temperature of one section of the exhaust outlet 16 of the gas turbine 10 is , And can be examined using the imaging instrument 38 described above. Therefore, a plurality of instruments 38 can be used together to monitor the entire annulus of the exhaust outlet 16. FIG. 3B shows a tilted perspective view of the imaging instrument 38, and FIGS. 3C and 3D show a top view and a side view of the imaging instrument 38, respectively.

イメージング器具３８は、イメージング器具３８の外周付近に光学トランスミッタ及び受信器を収容することができる。図４は、これらの光学送信位置５２及び光学受信位置５４をイメージング器具３８と共に示している。光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、イメージング器具３８の内径４８及び外径５０の内側部分に沿って配列することができ、光学送信位置５２及び光学受信位置５４間の光学ビームの２次元メッシュを形成するようにして配向することができる。１つの実施形態において、光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、イメージング器具３８の相対する側部に配置することができる。例えば、送信位置は、イメージング器具３８の上側部分の内面上に配置することができ、受信位置は、イメージング器具３８の下側部分の内面上に配置することができる。光学送信位置５２及び光学受信位置５４の位置とは関係なく、位置５２及び５４は、イメージング器具３８全体にわたって伝送を行うことができるようにペアにすることができる。   The imaging instrument 38 can accommodate an optical transmitter and receiver near the periphery of the imaging instrument 38. FIG. 4 shows these optical transmit location 52 and optical receive location 54 along with imaging instrument 38. The optical transmission position 52 and the optical reception position 54 can be arranged along the inner portion of the inner diameter 48 and outer diameter 50 of the imaging instrument 38, and a two-dimensional mesh of optical beams between the optical transmission position 52 and the optical reception position 54. Can be oriented. In one embodiment, the optical transmission location 52 and the optical reception location 54 can be located on opposite sides of the imaging instrument 38. For example, the transmit location can be located on the inner surface of the upper portion of the imaging instrument 38 and the receive location can be located on the inner surface of the lower portion of the imaging instrument 38. Regardless of the position of the optical transmission position 52 and the optical reception position 54, the positions 52 and 54 can be paired so that transmission can occur throughout the imaging instrument 38.

光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、シングルモード光ファイバーケーブル（ピッチケーブル）及びマルチモード光ファイバーケーブルにそれぞれ結合することができる。ピッチとしてのシングルモード光ファイバーケーブル及びキャッチとしてのマルチモード光ファイバーケーブルを利用すると、送信及び受信光学素子間のアライメントの維持に役立つことができる。これらのケーブルは、送信位置５２への光の伝送を可能にすることができ、受信位置５４からの光の伝送を可能にすることができる。ピッチ及びキャッチケーブルは、イメージング器具内の導管又は通路、すなわち電線路を介してイメージング器具３８に送給することができる。この導管は、ケーブルを収容するために器具の外周に機械加工することができる。上述のように、ケーブルによって、送信位置５２が光学ビーム５６を受信位置５４に伝送するように、光を送信位置５２に伝送できるようになる。次いで、光学ビーム５６は、解析のために、上述のような光ファイバーケーブルの第２のセットを介してスイッチ４０に伝送することができる。   The optical transmission position 52 and the optical reception position 54 can be coupled to a single mode optical fiber cable (pitch cable) and a multimode optical fiber cable, respectively. Utilizing a single mode fiber optic cable as the pitch and a multimode fiber optic cable as the catch can help maintain alignment between the transmit and receive optical elements. These cables can allow transmission of light to the transmission location 52 and can allow transmission of light from the reception location 54. The pitch and catch cable can be fed to the imaging instrument 38 via a conduit or passage in the imaging instrument, i.e., a conduit. This conduit can be machined around the periphery of the instrument to accommodate the cable. As described above, the cable allows light to be transmitted to the transmission location 52 so that the transmission location 52 transmits the optical beam 56 to the reception location 54. The optical beam 56 can then be transmitted to the switch 40 via a second set of fiber optic cables as described above for analysis.

図５は、送信位置５２の各々に配置することができる送信コリメータ５８と、受信位置５４の各々に配置することができる受信コリメータ６０とを示している。各コリメータ５８及び６０は、例えば、約９００°Ｆ（７５５°Ｋ）の温度のような、タービンエンジン１０の排気口１６の環境に耐えることができる材料から構成することができる。１つの実施形態において、コリメータ５８及び６０は、ステンレス鋼から構成することができる。   FIG. 5 shows a transmission collimator 58 that can be placed at each of the transmission positions 52 and a reception collimator 60 that can be placed at each of the reception positions 54. Each collimator 58 and 60 can be constructed of a material that can withstand the environment of the exhaust 16 of the turbine engine 10, such as a temperature of about 900 ° F. (755 ° K.). In one embodiment, collimators 58 and 60 can be constructed from stainless steel.

上述のように、光は、送信位置５２から受信位置５４への光学ビーム５６として伝送される。送信コリメータ５８及び受信コリメータ６０は、この光学ビーム５６の伝送に役立つ。例えば、光は、光ファイバーケーブル６２Ａを介して送信コリメータ５８に入ることができる。送信コリメータ５８は、光を受け入れることができ、光ファイバーケーブル６２Ａから発散させることができ、更に、光をコリメートし、すなわち、光を単一方向に送ることができる。送信コリメータ５８はまた、反射防止コーティングされた溶融石英プリズム６４ａを含むことができる。プリズム６４Ａは、高さが約５から１５ｍｍの間で、幅が５から１５ｍｍの間とすることができ、例えば、内部反射によりコリメート光の方向を変えることができる。１つの実施形態において、プリズム６４Ａは、コリメート光の方向を９０度変えることができる。   As described above, the light is transmitted as an optical beam 56 from the transmitting position 52 to the receiving position 54. A transmit collimator 58 and a receive collimator 60 serve to transmit this optical beam 56. For example, light can enter the transmit collimator 58 via the fiber optic cable 62A. The transmit collimator 58 can accept light, can diverge from the fiber optic cable 62A, and can further collimate light, ie, send light in a single direction. The transmit collimator 58 can also include a fused silica prism 64a with an antireflective coating. The prism 64A can have a height between about 5 and 15 mm and a width between 5 and 15 mm. For example, the direction of collimated light can be changed by internal reflection. In one embodiment, prism 64A can change the direction of collimated light by 90 degrees.

第２の反射防止コーティングされた溶融石英プリズム６４Ｂを受信コリメータ６０に結合することができる。このプリズム６４Ｂは、構造的にプリズム６４Ａと同様とすることができ、例えば、プリズム６４Ｂは、コリメート光の方向を９０度変えることができる。しかしながら、プリズム６４Ｂは、プリズム６４Ａとは異なる大きさにすることができる。例えば、プリズム６４Ｂは、プリズム６４Ａの約２倍の寸法にすることができる。別の実施形態では、プリズム６４Ｂは、高さが約１０から３０ｍｍの間で、幅が１０から３０ｍｍの間とすることができる。   A second anti-reflective coated fused silica prism 64B can be coupled to the receiving collimator 60. The prism 64B can be structurally similar to the prism 64A. For example, the prism 64B can change the direction of collimated light by 90 degrees. However, the prism 64B can be sized differently than the prism 64A. For example, the prism 64B can be approximately twice as large as the prism 64A. In another embodiment, the prism 64B can be between about 10 and 30 mm in height and between 10 and 30 mm in width.

プリズム６４Ｂの利用により、汎用コリメータ単独と比べて、受信コリメータ６０のビーム５６受容角度の点で有意な利点をもたらすことができる。例えば、レーザ光は、コリメータ５８に入る前に溶融石英材料を通って伝播し、この屈折率（ｎ＝１．４４）は空気の屈折率（ｎ＝１．０）よりも大きいことに起因して、スネルの法則に従って受信コリメータ６０によりもたらされる受信の立体角が大きくなるので、コリメータ５８及び６０は、従来のコリメータの約２倍の大きさの許容ウィンドウを享受することができる。   The use of the prism 64B can provide a significant advantage in terms of the acceptance angle of the beam 56 of the receiving collimator 60 compared to a general purpose collimator alone. For example, the laser light propagates through the fused silica material before entering the collimator 58 and this refractive index (n = 1.44) is due to being greater than the refractive index of air (n = 1.0). Thus, since the solid angle of reception provided by the receiving collimator 60 is increased according to Snell's law, the collimators 58 and 60 can enjoy a tolerance window that is approximately twice as large as a conventional collimator.

従って、送信及び受信コリメータ５８及び６０をイメージング器具３８と共に利用して、光学ビーム５６の送信及び受信を改善することができる。光学ビーム５６は、タービンエンジン１０の排出口１６内のイメージンググリッドと共に利用することができる。このグリッドは、ガスタービンエンジン１０の排出口１６の位置に対応することができる位置を光学ビーム５６に提供することができる。従って、グリッドを利用して、グリッドの各部分の光学ビームにおいて光の吸収レベルを測定することによって、グリッドを通る排出ガスの温度分布を求めることができる。   Accordingly, transmit and receive collimators 58 and 60 can be utilized with the imaging instrument 38 to improve the transmission and reception of the optical beam 56. The optical beam 56 can be utilized with an imaging grid in the exhaust 16 of the turbine engine 10. This grid can provide the optical beam 56 with a position that can correspond to the position of the outlet 16 of the gas turbine engine 10. Therefore, the temperature distribution of the exhaust gas passing through the grid can be obtained by measuring the light absorption level in the optical beam of each part of the grid using the grid.

光学ビーム５６の吸収レベルの測定は、例えば、波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）技術を用いることによりコンバータ４４のプロセッサにおいて実施することができる。ＴＤＬＡＳは、電磁スペクトルの特定波長でのある気体分子によるエネルギーの吸収に依存する。例えば、Ｈ２Ｏ、Ｏ２及びＣＯ２などの分子種は、離散的な電磁周波数で光を吸収し、すなわち吸収遷移が生じる。吸収遷移を僅かに下回る、又は上回る波長では、伝送光の吸収は本質的に存在しない。従って、ある量の標的分子を含有するガス混合物に光のビームを伝送し、該光のビームを標的分子の吸収遷移の僅かに下から直ぐ上にまでスキャンするよう調整して、光のビームの吸収を測定することによって、ガス中の標的分子の温度を求めることができる。すなわち、所与の周波数の分子によって吸収される光の量は、ガスの温度と、一般に次式で記述されるランベルト・ベールの法則に従う吸収化学種の濃度とに関連することができる。 The measurement of the absorption level of the optical beam 56 can be performed in the processor of the converter 44 by using, for example, a tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique. TDLAS relies on the absorption of energy by certain gas molecules at specific wavelengths in the electromagnetic spectrum. For example, molecular species such as H 2 O, O 2 and CO 2 absorb light at discrete electromagnetic frequencies, i.e. an absorption transition occurs. At wavelengths slightly below or above the absorption transition, there is essentially no absorption of transmitted light. Therefore, the beam of light is transmitted to a gas mixture containing a certain amount of target molecules, and the beam of light is adjusted to scan from just below the absorption transition of the target molecule to just above it, so that the beam of light By measuring the absorption, the temperature of the target molecule in the gas can be determined. That is, the amount of light absorbed by molecules of a given frequency can be related to the temperature of the gas and the concentration of absorbing species that generally follow the Lambert-Beer law described by the following equation:

Figure 0005627919
Figure 0005627919

ここで、Ｉｏはレーザから伝送される光の強度、Ｉは検出器への入射強度、ｋνはスペクトル吸収係数、Ｌは光の経路長である。 Here, Io is the intensity of light transmitted from the laser, I is the incident intensity to the detector, kν is the spectral absorption coefficient, and L is the path length of the light.

更に、等式の自然対数をとることによって吸収度を求めることができる。すなわち、これは、   Furthermore, the absorbance can be determined by taking the natural logarithm of the equation. That is, this

Figure 0005627919
Figure 0005627919

として表すことができる。更に、２つのレーザ周波数ν１及びν２を用いて２つの離散的な分子遷移にアクセスする場合、モル比率Ｘｊ、すなわち化学種濃度、圧力Ｐ、及び経路長Ｌは消去されて、線形ψは１になり、 Can be expressed as Further, when accessing two discrete molecular transitions using two laser frequencies ν1 and ν2, the molar ratio X j , ie species concentration, pressure P, and path length L are eliminated and the linear ψ is 1 become,

Figure 0005627919
Figure 0005627919

が残るので、統合吸収度の比は温度だけの関数となる。 Therefore, the ratio of integrated absorbance is a function of temperature only.

例えば、６８６２及び６６７３ｃｍ−１周波数にわたるガスタービン１０の排出ガス中の水の分子遷移がスキャンされる場合、結果として得られる光学ビーム５６の吸収分布は、光学ビーム５６が通過したポイントでの排出ガスの温度計算に必要なデータを提供することができる。すなわち、例えば、タービンエンジン１０の排出口１６における水の遷移などの測定される遷移は、排気口１６の所与の位置における排出ガスの温度検出用に監視することができる。更に、排出ガスの温度は、例えば、ワークステーション４６のモニタ上に提示することができる。例えば、ワークステーション４６上に排出口１６における排出ガスの温度を提示するのに、画像再構成技術を利用することができ、該画像再構成技術は、上述のグリッドにおける光学ビーム５６の測定される光吸収に基づくことができる。 For example, if the molecular transition of water in the exhaust gas of the gas turbine 10 over 6862 and 6673 cm −1 frequencies is scanned, the resulting absorption distribution of the optical beam 56 is the exhaust gas at the point where the optical beam 56 passes. Data necessary for temperature calculation can be provided. That is, for example, a measured transition, such as a transition of water at the exhaust 16 of the turbine engine 10, can be monitored for temperature detection of the exhaust gas at a given location of the exhaust 16. Further, the temperature of the exhaust gas can be presented on a monitor of the workstation 46, for example. For example, an image reconstruction technique can be utilized to present the temperature of the exhaust gas at the outlet 16 on the workstation 46, which is measured by the optical beam 56 in the grid described above. Can be based on light absorption.

図６で分かるように、イメージング器具３８が光学送信位置５２及び光学受信位置５４を有して示されており、光学ビーム５６は、グリッド７０を形成するタイル線６８で表されたイメージング器具内のタイル６６（すなわち領域）を含み、該グリッドは、ガスタービンエンジン１０の排気口１６内の温度を測定するよう動作することができる。再構成される温度分布の忠実度は、各タイル６６におけるビームの位置及び相対間隔に依存することができる。すなわち、ビーム５６の密度が高い場所のタイル６６は、より良好な温度分解能を有し、少数のビーム５６が存在する場所の空きスペースは、正確度の不確実性が高いことを具現化することになる。これらのタイル６６は、各ビーム５６からの吸収を、例えばコンバータ４４のプロセッサによって決定付けることができるセクタとすることができる。これらの決定の結果は、例えば、イメージングシステムを介してワークステーション４６のディスプレイにマッピングすることができる。イメージングシステムは、例えば、ワークステーション４６内に配置することができる。或いは、イメージングシステムは、コンバータ４４のプロセッサを含むことができる。イメージングシステムの位置とは関係なく、１つ又はそれ以上の画像再構成アルゴリズムを利用するような、画像再構成技術をメージングシステムが利用して、排気口１６における温度分布の代表的画像を生成することができる。吸収レベル、これから導出される排気口温度、及びその後に続く結果のマッピングの決定に使用される、１つのこのようなアルゴリズムを以下で説明する。   As can be seen in FIG. 6, the imaging instrument 38 is shown having an optical transmission position 52 and an optical reception position 54, and the optical beam 56 is within the imaging instrument represented by tile lines 68 that form a grid 70. The tile 66 (ie, region) is included and the grid can be operated to measure the temperature in the exhaust 16 of the gas turbine engine 10. The fidelity of the reconstructed temperature distribution can depend on the position and relative spacing of the beam in each tile 66. That is, the tile 66 where the density of the beams 56 is high has better temperature resolution, and the empty space where there are a small number of beams 56 embodies high accuracy uncertainty. become. These tiles 66 can be sectors whose absorption from each beam 56 can be determined, for example, by the processor of the converter 44. The results of these decisions can be mapped to the display of workstation 46 via an imaging system, for example. The imaging system can be located in the workstation 46, for example. Alternatively, the imaging system can include a processor for converter 44. Regardless of the position of the imaging system, the merging system uses image reconstruction techniques, such as one or more image reconstruction algorithms, to generate a representative image of the temperature distribution at the outlet 16. be able to. One such algorithm used to determine the absorption level, the exhaust temperature derived therefrom, and the subsequent mapping of the results is described below.

画像再構成アルゴリズム及びレーザメッシュ幾何形状、すなわちタイル６６のサイズの選択は、例えば、イメージングシステムにより生成される最終温度画像の忠実性に直接的な影響を及ぼすことができる。図示のように、図６は、タービン排気口１６内で画像化される複数のセクタ、すなわちタイル６６を含む。破線は光学ビーム５６を表し、多角区域を形成する実線は、各ビームからの吸収がマッピングされることになるタイル６６を表している。従って、例えば、ｎ個の光学ビーム５６とｍ個のタイル６６とが存在することができ、１つの実施形態では、ｎはｍよりも大きい。光学ビーム５６とタイル６６との関係は、次式で表すことができる。
［Ｐ］ｎ ＝ ｜｜Ｂ｜｜ｎ，ｍ ［Ｒ］ｍ［Ｐ］
ここで、［Ｐ］はｎ個のビーム全ての吸収度Ａ（上で記載したような）を表すベクトル、［Ｒ］は、ｍ個のタイル６６の吸収度値のベクトルである。｜｜Ｂ｜｜ｎ，ｍは、各ビーム５６の吸収度を特定のタイル６６にマッピングするのに用いることができる、ｎ×ｍの重み値又は基底関数である。例えば、一様、ガウス、又は３次スプライン加重関数など、様々な加重関数を利用して、マッピングされた吸収度に対するタイル６６内の種々の位置でのビーム５６の影響を調整することができる。 The selection of the image reconstruction algorithm and the laser mesh geometry, i.e. the size of the tile 66, can directly affect the fidelity of the final temperature image generated by the imaging system, for example. As shown, FIG. 6 includes a plurality of sectors or tiles 66 that are imaged in the turbine exhaust 16. The dashed line represents the optical beam 56 and the solid line forming the polygonal area represents the tile 66 to which the absorption from each beam will be mapped. Thus, for example, there can be n optical beams 56 and m tiles 66, and in one embodiment, n is greater than m. The relationship between the optical beam 56 and the tile 66 can be expressed by the following equation.
[P] n = || B || n, m [R] m [P]
Here, [P] is a vector representing the absorbance A (as described above) of all n beams, and [R] is a vector of absorbance values of the m tiles 66. || B || n, m is an n × m weight value or basis function that can be used to map the absorbance of each beam 56 to a particular tile 66. Various weighting functions such as, for example, uniform, Gaussian, or cubic spline weighting functions can be utilized to adjust the effect of the beam 56 at various locations in the tile 66 on the mapped absorbance.

所与のタイル６６内の吸収度を計算するために、最小二乗手法を利用することができ、次式となる。
［Ｒ］ｎ ＝ （｜｜Ｂ｜｜Ｔ｜｜Ｂ｜｜）-１ ［Ｐ］ｍ
次いで、この吸収度をイメージングシステムが利用して、例えば、上記の最小二乗法により求められた吸収度に基づいて、グリッド７０の各タイル６６についての温度を表す画像を生成することができる。従って、タイル６６内のビーム５６の数は、温度画像全体としてワークステーション４６上に表示するためイメージングシステムによって生成される温度画像に影響を及ぼす可能性がある。すなわち、排出面における実際の温度の最大及び／又は最小の場所は、各ビーム５６の位置に基づくことができる。従って、ビーム５６は、ビーム５６の位置決めを温度測定に最適化することができるように、タービンエンジン１０の状態の先験的認識を用いて最初に位置付けることができる。 In order to calculate the absorbency within a given tile 66, a least squares approach can be used, resulting in:
[R] n = (|| B || T || B ||) -1 [P] m
This absorbance can then be used by the imaging system to generate an image representing the temperature for each tile 66 of the grid 70, for example, based on the absorbance determined by the least squares method described above. Thus, the number of beams 56 in tile 66 can affect the temperature image produced by the imaging system for display on workstation 46 as a whole temperature image. That is, the maximum and / or minimum location of the actual temperature at the exit surface can be based on the position of each beam 56. Thus, the beam 56 can be initially positioned using a priori knowledge of the state of the turbine engine 10 so that the positioning of the beam 56 can be optimized for temperature measurements.

本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような修正形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。   While only certain features of the invention have been illustrated and described herein, many modifications and changes will occur to those skilled in the art. It is therefore to be understood that all such modifications and changes that fall within the true spirit of the invention are intended to be covered by the appended claims.

１０ ガスタービンエンジン
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ 排出口
１８ 駆動シャフト
２０ 圧縮機
２２ 吸気口
２４ 負荷
２６ 排気測定システム
２８ レーザコントローラ
３０ 第１のレーザ
３２ 第２のレーザ
３４ マルチプレクサ
３６ 拡張スイッチ
３８ イメージング器具
４０ 集約スイッチ
４２ 検出器
４４ コンバータ
４６ ワークステーション
４８ 内径
５０ 外径
５２ 送信位置
５４ 受信位置
５６ 光学ビーム
５８ 送信コリメータ
６０ 受信コリメータ
６２Ａ 光ファイバーケーブル
６２Ｂ 光ファイバーケーブル
６４Ａ プリズム
６４Ｂ プリズム
６６ タイル
６８ タイル線
７０ グリッド DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Gas turbine engine 12 Combustor 14 Turbine 16 Exhaust port 18 Drive shaft 20 Compressor 22 Inlet port 24 Load 26 Exhaust measurement system 28 Laser controller 30 1st laser 32 2nd laser 34 Multiplexer 36 Expansion switch 38 Imaging tool 40 Aggregation Switch 42 Detector 44 Converter 46 Workstation 48 Inner diameter 50 Outer diameter 52 Transmission position 54 Reception position 56 Optical beam 58 Transmission collimator 60 Reception collimator 62A Optical fiber cable 62B Optical fiber cable 64A Prism 64B Prism 66 Tile 68 Tile line 70 Grid

Claims (10)

エンジンの効率を監視するシステム（２６）であって、
特定周波数で光を伝送するよう適合されたレーザ（３０）と、
吸収光として光を伝送するよう適合された第１の側部（５０）と、前記吸収光を受け取るように適合された第２の側部（４８）とを含む器具（３８）と、
前記受け取った吸収光に基づいてエンジン（１０）の状態を解析するように適合されたプロセッサ（４４）と
を備えるシステム。 A system (26) for monitoring the efficiency of the engine,
A laser (30) adapted to transmit light at a specific frequency;
An instrument (38) comprising a first side (50) adapted to transmit light as absorbed light and a second side (48) adapted to receive said absorbed light;
System comprising a <br/> processor (44) adapted to analyze the state of the engine (10) based on the received absorption light. 前記レーザ（３０）が波長可変ダイオードレーザである、請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein the laser (30) is a tunable diode laser. 第２の特定周波数で光を伝送するよう適合された第２のレーザ（３２）を備える、請求項１又は２に記載のシステム。   The system according to claim 1 or 2, comprising a second laser (32) adapted to transmit light at a second specific frequency. 光を受け取り、該光を前記第１の側部（５０）に逐次的に加えるように適合されたスイッチ（３６）を備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。   The system according to any one of the preceding claims, comprising a switch (36) adapted to receive light and sequentially apply the light to the first side (50). 前記第１の側部（５０）が、前記光を吸収光として伝送するよう適合された複数の送信位置（５２）を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。   The system according to any one of the preceding claims, wherein the first side (50) comprises a plurality of transmission positions (52) adapted to transmit the light as absorbed light. 前記複数の送信位置（５２）の各々がコリメータ（５８）を含む、請求項５に記載のシステム。   The system of claim 5, wherein each of the plurality of transmission locations (52) includes a collimator (58). 各コリメータ（５８）がシリカプリズム（６０Ａ）を含む、請求項６に記載のシステム。   The system of claim 6, wherein each collimator (58) comprises a silica prism (60A). 前記第２の側部（４８）が、前記吸収光を受け取るように適合された複数の受信位置（５４）を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。   The system according to any one of the preceding claims, wherein the second side (48) comprises a plurality of receiving positions (54) adapted to receive the absorbed light. 前記複数の受信位置（５４）の各々がコリメータ（６０）を含む、請求項５に記載のシステム。   The system of claim 5, wherein each of the plurality of receiving locations (54) includes a collimator (60). 前記各コリメータ（６０）がシリカプリズム（６２Ｂ）を含む、請求項６に記載のシステム。
The system of claim 6, wherein each collimator (60) comprises a silica prism (62B).
JP2010098360A 2009-04-27 2010-04-22 Optical imaging system for gas turbine Expired - Fee Related JP5627919B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/430,337 2009-04-27
US12/430,337 US8416415B2 (en) 2009-04-27 2009-04-27 Gas turbine optical imaging system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010255635A JP2010255635A (en) 2010-11-11
JP5627919B2 true JP5627919B2 (en) 2014-11-19

Family

ID=42308553

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010098360A Expired - Fee Related JP5627919B2 (en) 2009-04-27 2010-04-22 Optical imaging system for gas turbine

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8416415B2 (en)
EP (1) EP2249084A3 (en)
JP (1) JP5627919B2 (en)
CN (1) CN101876591B (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8151571B2 (en) * 2009-09-18 2012-04-10 General Electric Company Systems and methods for closed loop emissions control
JP2012193978A (en) * 2011-03-15 2012-10-11 Central Research Institute Of Electric Power Industry Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program
US9297720B2 (en) * 2012-12-21 2016-03-29 United Technologies Corporation Gas turbine engine vane embedded beam interrupt optical tip-timing probe system
US9134199B2 (en) * 2013-06-24 2015-09-15 General Electric Company Optical monitoring system for a gas turbine engine
JP6529975B2 (en) * 2013-12-20 2019-06-12 ジョン ジンク カンパニー，エルエルシー Method and apparatus for monitoring port obstructions of TDLAS measurements in harsh environments
US9885609B2 (en) * 2014-05-23 2018-02-06 United Technologies Corporation Gas turbine engine optical system
US10197473B2 (en) 2015-12-09 2019-02-05 General Electric Company System and method for performing a visual inspection of a gas turbine engine
US10613000B2 (en) * 2016-12-15 2020-04-07 General Electric Company System and method for determining an exhaust emission parameter profile
DE102017201334A1 (en) 2017-01-27 2018-08-02 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for non-contact measurement of gas temperature profiles, in particular in a gas turbine
DE102017204434A1 (en) 2017-03-16 2018-09-20 Siemens Aktiengesellschaft Method and arrangement for measuring a gas temperature distribution in a combustion chamber
CN107688009A (en) * 2017-11-10 2018-02-13 华北电力大学 TDLAS boiler furnace gas two dimension concentration distribution detection method and device based on automatic scanning system
US11215508B2 (en) 2019-02-01 2022-01-04 Solar Turbines Incorporated Temperature measuring system
CN110657992B (en) * 2019-10-17 2021-01-15 北京航空航天大学 Method for monitoring combustion field of aero-engine by space access type double-optical comb system

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3586970A (en) * 1968-12-27 1971-06-22 William H Conway Hot gas temperature sensor
US3597920A (en) * 1969-08-21 1971-08-10 Chandler Evans Inc Turbine inlet temperature sensor and computer
DE2442809A1 (en) * 1974-09-06 1976-03-18 Philips Patentverwaltung ARRANGEMENT FOR DETERMINING ABSORPTION IN A BODY
DE2821083A1 (en) * 1978-05-13 1979-11-22 Philips Patentverwaltung ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE SPATIAL ABSORPTION DISTRIBUTION IN A LEVEL EXAMINATION AREA
JPS5599087A (en) * 1979-01-23 1980-07-28 Shimadzu Corp Emission type tomography
US4386854A (en) * 1980-02-27 1983-06-07 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Method and means for optically generating signals for use in monitoring an environment using tomographic techniques
JPS61286537A (en) 1985-06-12 1986-12-17 Hitachi Ltd Exhaust gas temperature control method of gas turbine
SE8802536D0 (en) * 1988-07-07 1988-07-07 Altoptronic Ab METHOD AND APPARATUS FOR SPECTROSCOPIC MEASUREMENT OF THE CONCENTRATION OF A GAS IN A SAMPLE
US5148667A (en) * 1990-02-01 1992-09-22 Electric Power Research Institute Gas turbine flame diagnostic monitor
US5185996A (en) 1990-12-21 1993-02-16 Allied-Signal Inc. Gas turbine engine sensor probe
US5636035A (en) 1991-09-30 1997-06-03 The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology Method and apparatus for dual modulation laser spectroscopy
EP0814334B1 (en) 1992-07-31 2004-09-29 Fuji Photo Film Co., Ltd. Method and apparatus for obtaining three-dimensional information of samples
US5798840A (en) 1992-08-05 1998-08-25 The Aerospace Corporation Fast optical absorption tomography apparatus and method
AT400769B (en) 1992-10-16 1996-03-25 Avl Verbrennungskraft Messtech MEASURING DEVICE FOR DETECTING COMBUSTION PROCESSES
GB9401459D0 (en) 1994-01-26 1994-03-23 Secr Defence Method and apparatus for measurement of unsteady gas temperatures
JP2708381B2 (en) 1994-09-30 1998-02-04 文男 稲場 Optical image measurement device
EP0766080A1 (en) 1995-09-29 1997-04-02 FINMECCANICA S.p.A. AZIENDA ANSALDO System and method for monitoring combustion and pollutants by means of laser diodes
US5659133A (en) 1996-04-22 1997-08-19 Astropower, Inc. High-temperature optical combustion chamber sensor
DE19717145C2 (en) 1997-04-23 1999-06-02 Siemens Ag Method for the selective detection of gases and gas sensor for its implementation
US6038076A (en) * 1997-12-03 2000-03-14 Noran Instruments, Inc. Wavelength selection, multiplexing and demultiplexing method and apparatus
FR2773879B1 (en) 1998-01-20 2001-01-26 Auxitrol Sa TEMPERATURE MEASUREMENT SENSOR
ATE292795T1 (en) 1998-11-11 2005-04-15 Univ Manchester MONITORING THE DISTRIBUTION AND MIXING OF A CHEMICAL SPECIES
CN1362868A (en) 1999-02-05 2002-08-07 成象诊断系统公司 CCD array as a multiple-detector in an optical imaging apparatus
US20020031737A1 (en) * 2000-03-10 2002-03-14 American Air Liquide, Inc. Method for continuously monitoring chemical species and temperature in hot process gases
US6490868B1 (en) 2000-08-17 2002-12-10 Siemens Westinghouse Power Corporation Adjustable mounting device for aligning optical sensor in gas turbine engine combustor
JP2004528111A (en) 2001-04-30 2004-09-16 ザ・ジェネラル・ホスピタル・コーポレイション Method and apparatus for improving image clarity and sensitivity in optical interference tomography using dynamic feedback to control focus characteristics and coherence gate
JP3616070B2 (en) * 2002-04-30 2005-02-02 三菱重工業株式会社 Gas temperature non-contact measuring device
CN101408459B (en) * 2003-03-31 2012-02-15 佐勒技术公司 Method and device for monitoring and controlling combusting course
US7375815B2 (en) * 2004-10-12 2008-05-20 Agilent Technologies, Inc. Optical devices, systems and method for producing a collimated light path
US20060109470A1 (en) * 2004-10-28 2006-05-25 May Randy D Measuring environmental parameters
US8208143B2 (en) * 2005-04-28 2012-06-26 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust gas analyzer
JP5180088B2 (en) * 2005-11-04 2013-04-10 ゾロ テクノロジーズ，インコーポレイティド Method and apparatus for spectroscopic measurements in a combustor of a gas turbine engine
EP2434410A2 (en) * 2005-11-15 2012-03-28 Zolo Technologies, Inc. All-fiber architecture for an embedded flight sensor for aeropropulsion applications

Also Published As

Publication number Publication date
EP2249084A3 (en) 2014-10-29
JP2010255635A (en) 2010-11-11
US20100272557A1 (en) 2010-10-28
US8416415B2 (en) 2013-04-09
CN101876591B (en) 2016-01-06
EP2249084A2 (en) 2010-11-10
CN101876591A (en) 2010-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5627919B2 (en) Optical imaging system for gas turbine
CN107576505B (en) Mid-infrared laser measuring system and method for engine combustion process monitoring
Xia et al. Two-step tomographic reconstructions of temperature and species concentration in a flame based on laser absorption measurements with a rotation platform
Bao et al. Relative entropy regularized TDLAS tomography for robust temperature imaging
Liu et al. Reconstruction of axisymmetric temperature and gas concentration distributions by combining fan-beam TDLAS with onion-peeling deconvolution
Goldenstein et al. Scanned-wavelength-modulation spectroscopy near 2.5 μm for H 2 O and temperature in a hydrocarbon-fueled scramjet combustor
US20120002035A1 (en) Multi-spectral system and method for generating multi-dimensional temperature data
Xu et al. Tunable diode laser absorption spectroscopy-based tomography system for on-line monitoring of two-dimensional distributions of temperature and H2O mole fraction
US20120170611A1 (en) Smart radiation thermometry system for real time gas turbine control and prognosis
Zhao et al. A WMS based TDLAS tomographic system for distribution retrievals of both gas concentration and temperature in dynamic flames
US8790006B2 (en) Multiwavelength thermometer
Chang et al. Mass flux sensing via tunable diode laser absorption of water vapor
JP6128361B2 (en) Multi-component laser gas analyzer
CN102608039B (en) The system and method for the peeling in detecting turbogenerator
US8702302B2 (en) Hot gas temperature measurement in gas turbine using tunable diode laser
Brown et al. TDLAS-based measurements of temperature, pressure, and velocity in the isolator of an axisymmetric scramjet
Zhang et al. A compact laser absorption spectroscopy tomographic system with short spectral scanning time and adjustable frame rate
US10732099B2 (en) Gas analysis device and gas analysis method using laser beam
Gao et al. Sparse Zernike fitting for dynamic LAS tomographic images of temperature and water vapor concentration
Zhou et al. Compact, fiber-coupled, single-ended laser-absorption-spectroscopy sensors for high-temperature environments
Jing et al. A reconfigurable parallel data acquisition system for tunable diode laser absorption spectroscopy tomography
US9250136B1 (en) Hyperspectral imaging system for pyrometry applications and method of operating the same
CN112816092B (en) Method for reconstructing temperature concentration field distribution of high-temperature gas
Lindstrom et al. Diode laser absorption tomography using data compression techniques
Tsekenis et al. Optical access schemes for high speed and spatial resolution optical absorption tomography in energy engineering

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130416

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140212

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140320

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140902

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141001

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5627919

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees